JP3817173B2 - 電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金 - Google Patents

電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金に係り、さらに詳細には所定元素の添加によって加工性を向上させた電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金に関する。
【0002】
【従来の技術】
Fe−Cr系電熱線製造に関連した従来技術では、フェライト安定化元素であるCrを14重量%以上添加して高温耐酸化性と高抵抗及び低い熱膨脹係数を有するフェライト系Fe−Cr系に、再びAlの添加を通してAl23被膜を形成させて耐熱性の向上と一緒に優秀な耐蝕性を確保する。
【0003】
しかし、Alは鋳造性と加工性を低下させるために5.0重量%内外が添加される。また耐熱性と耐蝕性向上に重要な被膜とマトリックス(matrix)との密着性を増やすためにZr、Ti、Mn、Nbまたは希土類系元素(rareearth element)を添加し、またマトリックス内で高温でも安定な化合物を形成することによって高温における再結晶を抑制して優秀な高温加工性と耐熱性を有するようにする。
【0004】
これと一緒に加工性を向上させるためにはBe(beryllium)が重要な添加元素として考慮される。すなわち、Beは0.001重量%以下が添加されて鋼(steel)の粒子系(inter−granular)強度を向上させて結晶粒を微細化させ向上された加工性を有した電熱線用Fe−Cr−Al系合金を製造した。
【0005】
現在まで開発されている最高品質のFe−Cr−Al系電熱線合金は、強度70Kgf/mm2(直径0.2mmである線材の場合)内外、使用温度最高1400℃の性能を有した製品が生産供給されている。
【0006】
このような電熱線用Fe−Cr−Al系合金は、電気炉に用いられる主材料であって素材の溶解と熱処理などの産業分野だけでなく自動車排気管等のような特殊環境用構造材、建築、医療分野の保温材のように多様な分野で用いられている。
【0007】
現在利用されている代表的電熱線としては生活分野ではNi/Cr系ニクロム線が主に利用されて、工業分野ではフェライト系Fe−Cr−Al系合金が主に利用されている。
【0008】
しかし、ニクロム線の場合には使用温度(1200℃)が相対的に低くて産業用への転用が不可能でありFe−Cr−Al系合金の場合には高い使用温度(〜1400℃)の長所にもかかわらずごく低い加工性によりその使用分野は大きく制約されている実情である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記した従来の事情を勘案して案出されたものであり、強度と加工性及び耐熱特性を同時に向上させた電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金を提供することにその目的がある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために本発明の望ましい実施例による電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金は、Feをバランス元素としてCrの添加量を12〜30重量%、Alは3〜14重量%、Zrは0.01〜1.5重量%、Tiは0.0001〜0.1重量%とするフェライト系Fe−Cr−Al合金を基本合金にして、ここにBeを0.01重量%未満に単独添加したり希土類元素で構成された0.1重量%未満のミッシュメタル(misch metal)と複合添加する。
【0011】
一方、本発明は上述した実施例にのみ限定されることでなく本発明の要旨を外れない範囲内で修正及び変形して実施できて、そうした修正及び変形が加わった技術思想も本発明の特許請求範囲に属することと見なければならない。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例による電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金に対して説明すると次のようである。
【0013】
本発明では既存合金設計で重要に考慮しなかったBeとミッシュメタルを優秀な熱間及び冷間加工性と耐熱性を同時に確保できる重要元素だと判断して、これを考慮して合金を設計した。
【0014】
本発明で考慮した各合金成分の作用に対して整理すれば次のようである。
【0015】
クロム(Cr)は、鋼でフェライト安定化元素であって、12重量%以上が添加されるとフェライト系ステンレス鋼になる。これより少量のCrが添加されたオーステナイト系Fe−Cr系ステンレス鋼はフェライト系ステンレス鋼に比べて高温強度と加工性は優秀だが高温で相対的に高い熱膨脹係数と熱変形特性を示すために電熱線合金としては不適合である。
【0016】
これに比べてフェライト系Fe−Cr合金は、相対的に優秀な高温耐酸化性と高抵抗及び低い熱膨脹係数を有するようになる。
【0017】
しかし、多量のCrが添加された場合には急激な加工性の低下が起きるために適正のCr添加が重要である。したがって、本発明の実施例ではCrの添加量を12重量%以上30重量%以下の範囲とする。
【0018】
アルミニウム(Al)は、Al23被膜を形成させて耐熱性と耐蝕性を大幅に向上させる。特に、Fe−Cr系合金では微量のAl添加だけでも難無くAl23被膜を形成させることができて、添加量が増加することによって耐腐蝕性も向上される。
【0019】
しかし、Al23被膜は、マトリックスと熱膨脹係数の差異によってマトリックスと被膜の境界で残留応力が発生されて加工時クラック発生を容易にするために多量のAlが添加される場合にはこの合金の最も致命的欠陥である難加工性を大幅に加速化させる。したがって、適正の添加量が重要で本発明の実施例ではAlの添加量を15重量%以下、望ましくは3〜14重量%範囲内に制限する。
【0020】
ジルコニウム(Zr)は、酸化活性化元素であって酸化物と母材との接着力を増進させて酸化被膜を安定化することによって耐熱性と耐蝕性を大幅に向上させる元素である。また母材のマトリックス内ではZr−Al、Zr−Ti系またはZrxy等のような析出粒子または化合物を形成して再結晶温度を高めて結晶粒成長を抑制して安定化することによって高温加工性や高温強度などの物性を向上させる。このような添加効果を考慮して本発明の実施例ではZrの添加量を1.5重量%以下、望ましくは0.01〜1.5重量%範囲内とする。
【0021】
チタン(Ti)は、フェライト安定化元素であって高温におけるフェライト単相組織確保に有用なだけでなくC、Nとの結合によるTixy、Tixy系析出粒子によって内粒界腐蝕性と加工性向上を図ることができるが、多量添加する場合加工性と耐酸化性の低下を避けられない。したがって本発明の実施例ではTiの添加量を0.1重量%以下、望ましくは0.0001〜0.1重量%内にする。
【0022】
ベリリウム(Be)はFe系合金のみならずAl合金でも添加した第3成分の粒界偏析(segregation)を防止して熱間加工性や冷間加工性を向上させる。しかしこの元素は毒性があって製造時多量の添加が難しいだけでなく多量添加時にはAl−Be系析出相などを形成してその効果を半減させるためにその添加量は微量に調節されなければならない。したがって、本発明の実施例ではBeの添加量を0.1重量%未満、望ましくは0.01重量%未満にする。
【0023】
希土類元素で構成されたミッシュメタルは、表面被膜の安全性と再結晶温度を上昇させて耐熱性及び耐酸化性を向上させるために添加される。これらの主要構成元素であるCe、La、Y、Ndなどの希土類元素はCrとAlの選択的酸化を促進させて連続的保護層を発達させて母材と被膜間の密着性を向上させ、結晶粒系に偏析されてAlの拡散を抑制することによって酸化雰囲気でのAl枯渇を抑制するようになって、したがって耐酸化寿命を延長させる。
【0024】
しかし、前記希土類元素は、比較的高価であるのみならず保管及び投入も容易でない。したがって、このような希土類元素で構成されて相対的に低価であるミッシュメタルを添加してこれらの効果を図った。また、これらの添加量が0.1重量%を上回る場合には多様な化合物を形成して主に固溶体で期待される前記の希土類元素の添加効果を期待できないために本発明の実施例ではミッシュメタルの添加量を0.1重量%未満にする。
【0025】
次の<表1>は本発明の合金と比較合金の化学的成分と機械的物性及び電気抵抗値を比較したことであって、代表的電熱線生産業体である外国のA社の製品AAとBBも同一条件で一緒に比較した表である。
【0026】
<表1>は、本発明の合金の化学的組成(wt%)と比較合金と商用製品の物性を示すものである。
【0027】
【表1】
Figure 0003817173
前記<表1>でA社の製品AAとBBは、Fe−22〜24重量%Cr−4〜5重量%Al−0.1〜0.5重量%Zr−0.03重量%Tiを基本組成にしている。
【0028】
前記<表1>から分かるようにBeとMm(ミッシュメタル)が添加されない比較合金4番は引張強度が53.5(Kgf/mm2)、延伸率は10.5%に過ぎないが、2番のBe単独添加の合金と3番のBe+Mm(ミッシュメタル)の複合添加合金は引張強度が75(Kgf/mm2)以上であって、延伸率も25%以上に大幅に向上された機械的特性を示す。
【0029】
特に、Beとミッシュメタル(Mm)が複合添加された3番の合金が最も優秀な機械的物性を示す。但し、前記<表1>で、ミッシュメタル(Mm)が単独で添加された1番合金の場合には引張強度が55.1(Kgf/mm2)であって、延伸率は15%であって比較合金に比べて小幅向上される。
【0030】
したがって、優秀な物性は、Beが単独で添加されたりBeとミッシュメタル(Mm)が複合的に添加されなければならないという結果を示す。
【0031】
このような物性は、同一な条件で比較したA社のAA合金とBB合金の物性に比べてもさらに優秀な値を示す。
【0032】
また、電熱線の発熱量と直接的な関係を有している抵抗値も比較合金のみならずAA合金とBB合金の抵抗値に比べてさらに優秀にあらわれる。
【0033】
図1は、本発明の実施例で最高の物性を示した2番合金と3番合金を外国企業製品と比較した寿命試験結果のグラフであって、寿命試験温度は1300℃、寿命試験は韓国のKSC2602−1982規定によって直径0.7mmの線材を利用して測定したグラフである。図1のグラフから分かるように、本発明の合金が外国企業の製品に比べて優秀な寿命を示すことが分かる。
【0034】
図2は、本発明の実施例で3番合金を冷間伸線と熱処理を通して製作に成功した直径0.06mmの電熱線を示した図面である。
【0035】
前記<表1>で2番と3番試片は、このように直径0.06mm以下の細線加工が可能であるが、比較合金である4番とミッシュメタル単独添加合金である1番合金はこのような細線製造が不可能であった。
【0036】
このような結果を総合して見る時、Beの単独添加またはBeとミッシュメタルの複合添加を特徴とする本発明が高加工性、高強度と高耐蝕性の特徴のみならず優秀な電熱特性も同時に満足することを分かる。
【0037】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によると、フェライト系Fe−Cr−Al合金の物性、特に加工性と機械的特性は画期的に向上されるのみならず電熱特性もさらに向上される。
【0038】
また、このような加工性の向上によってさらに生やさしい新鮮加工が可能になることによって関連商品の製造単価は大幅に低くなることができ、希土類系元素をこれらの統合物質であるミッシュメタルに代えることによってさらに生産単価を低めることができる。
【0039】
そして、極細電熱線の生産が可能であることによって電熱機器の小型化、効率の向上及びその他小型保温部品、保温用医療機器等で有用に用いられることができる。これと一緒に高温酸化、硫化雰囲気の自動車排気管及び焼却炉等での使用時にもさらに向上された耐熱性と耐蝕性などが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の合金と他社製品の寿命試験結果のグラフ、
【図2】 本発明の実施例による合金を冷間伸線と熱処理を通して製作に成功した直径0.06mmの電熱線を示した図面である。

Claims (4)

  1. Feをバランス元素として、Cr:12重量%〜30重量%、Al:3重量%〜14重量%、Zr:0.01重量%〜1.5重量%、Ti:0.0001重量%〜0.1重量%、Be:0.1重量%未満が添加され、希土類金属が0.1重量%未満が追加されたことを特徴とする電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金。
  2. 前記希土類金属は、希土類元素でなされたミッシュメタルであることを特徴とする請求項に記載の電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金。
  3. 前記希土類金属は、Sc、La、Ce、Hf、Pd、Y及びNdで構成されたグループで1種または2種以上の混合物であることを特徴とする請求項に記載の電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金。
  4. 前記Be金属は、0.01重量%未満が添加されたことを特徴とする請求項1に記載の電熱線用鉄−クロム−アルミニウム系合金。
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